Processus thermo-mécaniques liés à l'eau et à la glace dans les fractures des parois alpines à permafrost – WISPER

Les méthodes englobent des modélisations numériques couplant les processus thermiques et hydrologiques en premier lieu. De nouvelles procédures de modélisation doivent être développées pour pouvoir appliquer ces modèles aux parois de haute montagne. Ces nouveaux modèles doivent ensuite servir à paramétrer des modèles mécaniques. Par ailleurs, des modèles de bilan d'énergie doivent être développés pour quantifier l'eau pouvant s'infiltrer dans les parois. Enfin, en parallèle des modèles numériques, la géophysique, et notamment la géoélectrique est utilisée pour acquérir des données indépendantes pour évaluer les modèles.

De premiers modèles couplés des processus thermiques et hydrologiques ont été réalisés et l'approche numérique est en cours de publication. Un système de monitoring géoelectrique a été installé à l'Aiguille du Midi et les premières données ont été acquises. Leur traitement va débuter au cours de l'hiver 2021/2022

Les perspectives de sont projets sont de plusieurs ordres :
- simuler les processus thermo-hydro-mécaniques au niveau d’écroulements rocheux récemment observés pour comprendre leur mécanismes de déclenchement
- généraliser cette compréhension pour mieux appréhender les secteurs et périodes «à risque«
- offrir une nouvelle perspective dans la compréhension de l'évolution des reliefs alpins, notamment l’asymétrie entre les faces nord et sud
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4 communications dans des congès d'envergure internationale, 2 publications dans des revues scientifiques internationales à comité de lecture (une en cours de publication, acceptation en septembre 2021)

WISPER vise à coupler les processus thermiques, hydriques et mécaniques associés à l’eau et au gel dans les fractures des parois gelées en permanence (permafrost) pour comprendre (i) les processus de dégradation du permafrost et (ii) l’augmentation des écroulements rocheux touchant les milieux de haute montagne. La dégradation du permafrost est attribuée à (i) la lente conduction de la chaleur depuis la surface dans la masse rocheuse saturée et (ii) les infiltrations et les circulations d’eau dans les fractures agissant comme un raccourci thermique entre la surface et la subsurface. Les ruptures de parois rocheuses sont quant à elles attribuées à la (i) rupture ductile-fragile des fractures remplies de glace se réchauffant et aux (ii) contraintes induites par les processus hydriques. Bien que les dynamiques thermiques et mécaniques des parois gelées saturées et homogènes (sans fractures) aient été étudiées depuis une décennie, les processus liés à l’eau constituent la principale barrière à l’interprétation et la prédiction quantitatives de la dégradation du permafrost et des mécanismes de rupture. Le manque d’étude de ces processus s’explique par (i) leur complexité qui implique des réponses thermiques et mécaniques non-linéaires et (ii) la quasi-absence de données pour paramétrer et évaluer les modèles numériques.
WISPER s’attaque à ces limites au travers de trois Work Packages (WP) qui comprennent le développement de procédures de modélisation numérique et de sondages géophysiques innovants. Il rassemble les compétences, outils et données de quatre instituts répartis entre la France (Labo. EDYTEM et ISTerre, CNRS et Université Savoie Mont Blanc), l’Allemagne (Univ. Technique de Munich) et la Novège (Univ. Oslo). Dans le 1er WP (WP1), le jeu de données unique déjà collecté dans le massif du Mont Blanc (notamment des modèles numériques de terrain de haute résolution, > 10 ans d’inventaire des écoulements rocheux, des séries temporelles de la température des parois, des variables climatiques et de la cinématique des fractures) seront utilisées pour développer des modèles hydro-thermiques et fournir les données nécessaires pour paramétrer des modèles mécaniques dans le 3ème WP (WP3). En parallèle, des mesures et du monitoring géophysique à la pointe sera réalisé sur des sites-pilotes pour imager le contenu et la saturation des fractures (WP2) et obtenir un jeu de données indépendant pour paramétrer et évaluer les modèles prévus dans le WP1 et WP3. La combinaison des trois WPs offrira une meilleure compréhension théorique des dynamiques thermiques et du comportement mécanique des parois à permafrost.
Environ 260k€ sont demandés pour couvrir les frais de personnel non-permanents (Postdocs et stagiaires), l’équipement numérique et géophysique, les frais de déplacements pour la communication des résultats et les travaux de terrain, et les frais de publication. Ce projet est basé sur des collaborations déjà établies, est en lien direct avec le parcours de la coordinatrice et permettra de renforcer sa position de meneuse dans les recherches sur le permafrost de haute montagne. Sur le court à moyen terme, ce projet délivrera de nouveaux modèles numériques, des analyses de sensibilité, et des images des propriétés physiques des parois alpines utiles à la communauté scientifique s’intéressant aux morphodynamiques des versants raides et des processus cryosphériques. Sur le moyen à long terme, les résultats constitueront une base solide pour définir les directions de recherche vers des solutions opérationnelles d’anticipation et de réduction des risques associés aux processus de désenglacement, qui est d’un intérêt majeur pour les aménageurs du territoire, les décideurs et professionnels de la montagne. Les résultats seront diffusés via des journaux scientifiques internationaux, des conférences d’envergure nationale et internationale, des cours universitaires, des médias grand public et des formations aux professionnels de la montagne.